СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике и может найти применение в сейсмологии при создании полигонов геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты.

На настоящий момент выявлено множество долгосрочных признаков-предвестников зоны подготавливаемого землетрясения [см., например, в кн. Т.Рикитаке «Предсказание землетрясений», перев. с англ., Мир, М, 1979 г., табл.15.13 стр.314-333]. Известные признаки имеют продолжительные интервалы (годы) существования, но не позволяют достаточно точно предсказать момент удара и его магнитуду. Другой класс - краткосрочные признаки-предвестники. Они проявляются за несколько суток (часов) до удара, но, в силу отсутствия технических средств для их измерения, не могут быть своевременно обнаружены. Среди наиболее значимых краткосрочных признаков-предвестников, измеренных средствами глобальной навигационной системы позиционирования (GPS, NAVSTAR,) является раскачка очага землетрясения перед ударом. Раскачка сопровождается распространением от гипоцентра очага сверхдлинных (с периодом ˜10⁴ сек) литосферных волн [см, например, «Способ предсказания землетрясений», Патент RU №2170446, G01V, 9/00, 2001 г.]. Известен и такой признак-предвестник землетрясений, как изменение спектра шумов сейсмического фона, так называемое «затишье» непосредственно перед ударом [см, например. Патент RU №2181205, G01V, 9/00, 2002 г.].

Достоверное предсказание могут обеспечить те методы регистрации, которые основаны на измерении первопричин землетрясения. В теоретическом плане существует несколько геофизических моделей, претендующих на обоснование первопричин землетрясений [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.14-16]. Истинная модель подготовки землетрясений должна, очевидно, выявить и новый, абсолютный признак-предвестник, сопровождающий все без исключения случаи.

В качестве одной из первопричин землетрясений рассматривают потерю устойчивости земной коры при ее насыщении легкими газами (водород, гелий), обильно выделяющимися из зоны подготавливаемого землетрясения накануне удара.

Насыщение земной коры газовой компонентой приводит к изменению ее вязко-упругих характеристик, за счет чего коэффициенты упругости в связях неограниченно возрастают во времени, стремясь к обеспечению абсолютно жесткого сцепления и образованию блока, охватывающего всю зону подготавливаемого землетрясения. В результате, из-за увеличения размеров колебательных элементов спектр шума сейсмического фона зоны подготавливаемого землетрясения смещается в инфразвуковой диапазон. Известен класс устройств мембранного типа, позволяющих измерять инфразвуковые колебания земной коры [см., например, «Кондуктометрический датчик колебаний». Патент RU №2055352, G01N, 27/02, 1996 г. - аналог].

Устройство аналога содержит чувствительный элемент, выполненный в виде полого герметичного корпуса, закрытого с торцов упругими мембранами в составе двух полостей, соединенных каналом и заполненных токопроводящей жидкостью (электролитом). В канале расположены электроды, перекрывающие сечение канала, параллельные между собой, и оси чувствительности, их с обеих сторон охватывают противоэлектроды. Чувствительный элемент жестко закреплен в защитном корпусе, причем его подмембранные полости, с помощью соединительного канала, свободно общаются друг с другом. Внешнее воздействие приводит к колебаниям электролита относительно электродов, благодаря чему изменяется количество подводимого к ним электролитического вещества, что изменяет электрическое сопротивление в приэлектродной области. В фоновом токе, текущем через электролит, появляется переменная составляющая, амплитуда и частота которой пропорциональны внешнему воздействию. Датчик имеет высокую чувствительность и линейность выходной характеристики в области инфрачастот. Он может использоваться в любой пространственной ориентации, т.е. осуществлять измерения во взаимно перпендикулярных плоскостях. На основе датчика выполнена промышленная разработка многокомпонентных инфразвуковых сейсмоприемников, используемых в аппаратуре низкочастотной акустической разведки (АЧАР) при поиске нефтегазовых месторождений [см., например, Патент RU №2045079, G01V, 1/00, 1995 г.].

Ближайшим аналогом к заявляемому является «Способ краткосрочного предсказания землетрясений», Патент RU №2181205, G01V, 9/00, 2002 г.]. В способе ближайшего аналога регистрируют волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала А(t) в двух разнесенных по координатам пунктах, рассчитывают спектр Фурье от зарегистрированной функции с объемом отсчетов в каждой выборке N≥2F_max/σ, вычисляют интервал корреляции τ, регистрируют начало изменения параметра τ и при его непрерывном отслеживании фиксируют время запаздывания Δτ изменения фазы данного признака между двумя пунктами, рассчитывают направляющий косинус траверзы прихода сверхнизких волн очага , определяют гипотетический центр очага как точку пересечения на траверзе радиус-векторов с косинусом угла при вершине

вычисляют период Т₀ параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду М≈110/Т₀ ² (час) и время удара t_х≈2,3Т₀, где:

F_max - максимальная частота спектра сейсмического фона, Гц;

σ - среднеквадратическая ошибка вычисления спектра Фурье по дискретной выборке измерений;

а - длина базы между двумя пунктами, м;

V - скорость сейсмических волн в земной коре, м/с;

B₁(0), В₂(0) - значения автокорреляционных функций сигнала в нуле для каждого пункта.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- интервал автокорреляции сигнала τ определяется, в первую очередь, скоростью изменения сейсмического фона, поэтому измерение параметра запаздывания Δτ технически трудно реализуемо, поскольку оно практически не зависит от размера базы;

- в формулу направляющего косинуса входит неопределяемый параметр V - скорость литосферных волн в земной коре, которая может изменяться в интервале от 1,2 до 2.5 км/с, что вносит существенную ошибку в результат определения гипоцентра;

- неточность регрессионных зависимостей определения магнитуды и времени удара, в частности, известно из соотношений Гутенберга-Рихтера, что чем больше время (Т₀), тем магнитуда ожидаемого удара должна быть больше.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в расширении интервала времени упреждающего предсказания землетрясения, повышении точности и достоверности прогнозируемых параметров путем выделения скрытой информации из амплитудно-частотных характеристик инфразвукового сигнала на основе расчета их фрактальной размерности и отслеживания динамики ее изменения.

Технический результат достигается тем, что в способе краткосрочного предсказания землетрясений регистрируют волны сейсмического фона в двух разнесенных на измерительной базе пунктах, проводят совместную обработку зарегистрированных сигналов вычислением функций их автокорреляции, дополнительно регистрацию осуществляют двухкоординатными (x, y) сейсмоприемниками в инфразвуковом диапазоне, при этом оси чувствительности сейсмоприемников по координате (x) ориентируют по направлению базы, фиксируют время появления регулярной составляющей инфразвукового сигнала и определяют фрактальную размерность его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отслеживают динамику изменения фрактальной размерности АЧХ и находят постоянную времени (Т) динамического процесса, прогнозируют параметры ожидаемого землетрясения: время удара, отсчитываемое от момента появления инфразвукового сигнала, t_y=4,7 Т, магнитуду М из соотношения: lg t_y[сут]=0,54 М - 3,37, координаты гипоцентра очага отождествляют с точкой пересечения направляющих косинусов, отсчитываемых от направления оси базы:

где B_x1(0), B_y1(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y первого сейсмоприемника;

В_х2(0), В_y2(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y второго сейсмоприемника.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - нелинейная упруго-вязкая модель насыщения земной коры газовой компонентой;

фиг.2 - одна из реализации решения нелинейного дифференциального уравнения модели в виде изменяющегося спектра колебаний очаговой зоны;

фиг.3 - амплитудно-частотные характеристики сейсмического фона очаговой зоны инфразвукового диапазона;

фиг.4 - динамика изменения фрактальной размерности регистрируемого инфразвукового сигнала;

фиг.5 - схема пеленгации источника инфразвукового сигнала;

фиг.6 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Установлено [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.27-28, рис.1-2], что накануне землетрясения происходит активная эманация газов (водород, гелий, радон) из земной коры. Насыщение земной коры газовой компонентой приводит к изменению ее вязко-упругих характеристик. Нелинейная упруго-вязкая модель насыщения земной коры газовой компонентой иллюстрируется фиг.1. Математическая модель вязко-упругих характеристик земной коры представлялась в виде системы дифференциальных уравнений:

i=1,,,, n

Функции k_i(t) для всех i определяются как

k_i(0)=0

k_i(t)+α·dt с вероятностью (1-р)

k_i=(t+dt)=

0 с вероятностью р

р - вероятность сброса упругих связей.

В начальный момент t=0 элементы неподвижны x_i=0, i=0... n+1

Масса m_i совершает колебание x₀(t)=sin(ωt), масса m_i+1 неподвижна x_n+1(t)=0.

Блоки земной коры в модели контактируют через систему последовательных элементов с упругой связью. Частота собственных колебаний механической системы и размеры колебательных «зерен» зависят от коэффициента жесткости k_i(t+α·dt), который изменяется от степени насыщения земной коры газовой компонентой. Решение дифференциальных уравнений модели осуществлялось по специально разработанной математической программе. Из решения дифференциальных уравнений модели следует, что размеры «зерен» увеличиваются от единиц метров до нескольких км, а частота сейсмического фона очаговой зоны изменяется от звукового диапазона (единицы кГц) до инфразвукового диапазона (долей Гц). Изменение спектра сейсмического фона очаговой зоны (как одна из реализации решения дифференциальных уравнений модели) иллюстрируется графиком фиг.2.

Сам факт появления в спектре сейсмического фона регулярной составляющей инфразвукового диапазона свидетельствует о начале переходного процесса к сбросу энергии энергонасыщенной очаговой зоной.

За счет насыщения газом коэффициенты упругости в связях неограниченно возрастают во времени, стремясь к обеспечению абсолютно жесткого сцепления, а вся область зоны подготавливаемого землетрясения превращается в монолитный блок. При этом частота собственных колебаний блока из-за его больших размеров (100-150 км в диаметре) составляет 10^-3...10^-4 Гц.

На фиг.2 - это участок сверхдлинных литосферных волн раскачки очага, измеренный средствами космической навигационной системы GPS [см. Патент RU №2170446, 2001 г.], занимает интервал ˜8 час.

Если осуществлять непрерывный контроль сейсмического фона в инфразвуковом диапазоне (от 16 Гц), то можно расширить интервал упреждающего предсказания землетрясений на время прохождения динамического процесса раскачки очага перед ударом через этот интервал. На фиг.2 - это средний участок графика функции с временем существования порядка 2...4 час. Известно [см., например, Р.Дуда, П.Харт «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ., Мир, М., 1976 г., гл. Пространственное дифференцирование], что максимум информации о происходящих процессах содержится в образе объекта. Скрытую информацию о динамическом переходном процессе очаговой зоны содержит форма (образ) регистрируемого сигнала, т.е. его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Признаком формы функции сигнала является введенная Мандельбротом фрактальная размерность [см., например, Mandelbrot В. Fractals. Forms, Chance and Dimension. Freeman, San-Francisco, 1997]. Зарегистрированные АЧХ инфразвукового сигнала иллюстрируются фиг.3. Вначале регистрируемый сигнал содержит спектр инфразвуковых частот. АЧХ такого сигнала занимает некоторую полосу (фиг.3, а) с соизмеримой амплитудой каждой из гармоник. Затем сигнал превращается в моноколебание с нарастающей амплитудой (фиг.3, б). В технике, для снятия АЧХ при изменении несущей используют так называемые следящие фильтры [см. Комплект виброизмерительной аппаратуры фирмы Bruel & Kjair, ENDEVCO, Дания, «Следящий фильтр», модель 2020].

В математике для определения размерности фрактальных образований используют так называемую размерность Хаусдорфа [см., например, Р.А.Burrough, Fractal dimensions of landscapes and other environmental data. Nature, 294, 1981, p.240].

По определению, размерность Хаусдорфа вычисляется:

где ε - размер элемента разрешения, которым покрывается объект (длина отрезка, площадь квадратика, объем кубика);

Ω_ε - число элементов разрешения, размером ε, содержащих все признаки множества.

Расчет фрактальной размерности АЧХ инфразвукового сигнала (функции графика фиг.3) осуществлялся по специально разработанной математической программе.

Текст программы расчета фрактальной размерности АЧХ.

Расчетные значения фрактальной размерности АЧХ составили:

D_f=1,64 (график фиг.3, а), D_f=1,2 (график фиг.3, б).

Из математики известно, сама функция и скорость ее изменения описываются дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспоненциальная зависимость [см., например, Н.С.Пискунов, «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т.1, учебник, 5-е изд. Наука, М., 1964 г., стр.458]. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по ее отдельному участку можно восстановить всю функцию, вычисляя постоянную времени экспоненты. Известно также, что касательная к экспоненте в любой ее точке отсекает от оси времени (оси абсцисс) отрезок, равный постоянной экспоненты (Т). В частности, по реализациям АЧХ фиг 3а, б постоянная экспоненты функции изменения фрактальной размерности АЧХ составила величину Т≈2,6 [час]. График изменения фрактальной размерности АЧХ во времени иллюстрируется фиг.4.

По постоянной времени переходного процесса прогнозируют характеристики ожидаемого землетрясения.

Время удара - это интервал времени, за который фрактальная размерность АЧХ с вероятностью ≥0,99 стремится к единице. Для экспоненты эта величина составляет t_y=4,7 Т. Для графика фиг.4 t_y от начала обнаружения инфразвукового сигнала составило 12 час.

Магнитуду удара находят из соотношения Гутенберга-Рихтера:

lg t_y[сут]=0,54M-3,37.

Гипоцентр землетрясения находят методом пеленгации источника инфразвуковых колебаний с двух, разнесенных на базе, пунктов измерений.

Известно, что направление переноса энергии волновым процессом совпадает с фазовым фронтом волны в данной точке. Направление вектора в пространстве задается его проекциями на осях координат. Проекции вектора направления переноса энергии пропорциональны мощности сигналов, регистрируемых двухкомпонентным сейсмоприемником во взаимно перпендикулярных плоскостях (x, y). Регистрируемые мощности сигналов определяют по соответствующим АЧХ. Пеленгация источника инфразвукового сигнала с двух разнесенных на базе двухкоординатных сейсмоприемников иллюстрируется фиг.5.

Расчет направления проводят по операциям ближайшего аналога вычислением автокорреляционных функций сигналов. Значения автокорреляционных функций в нуле равно мощности процесса, т.е. сумме мощностей постоянной (средней) и переменной (дисперсии) составляющих. Поскольку направление оси x двухкоординатных сейсмоприемников ориентируют по направлению базы, то косинус направляющие на источник соответственно составят (фиг.5)

Гипоцентр очага ожидаемого землетрясения отождествляют с точкой пересечения соответствующих векторов, построенных на карте местности под углами (α, β) относительно расположения измерительной базы.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.6. Функциональная схема устройства фиг.6 содержит два двухкомпонентных сейсмоприемника 1, 2, разнесенных в пространстве на расстояние измерительной базы 3, каждый из которых содержит по два кондуктометрических датчика 4, 5, оси чувствительности которых ориентированы во взаимно перпендикулярных плоскостях (x, y), подключенных на входы соответствующих встроенных усилителей 6. 7. Выходы усилителей подключены на вход последовательно соединенных канального коммутатора 8, следящего фильтра 9, порогового устройства 10, аналого-цифрового преобразователя 11, компьютера 12 в составе элементов: процессора 13, оперативного запоминающего устройства 14, винчестера 15, дисплея 16, принтера 17, клавиатуры 18. Синхронизацию работы элементов устройства обеспечивает программируемая схема выборки измерений 19. Селектируемыми признаками сигнала предвестника землетрясения являются момент появления регулярного инфразвукового сигнала (превышение установленного порогового уровня в элементе 10) и форма регистрируемых АЧХ в каждом измерительном канале. Предварительно на винчестер 15 компьютера 12 записывают программу вычисления фрактальной размерности АЧХ, а в программируемую схему выборки измерений 19 пересылают программу последовательности работы канального коммутатора, режима работы АЦП и порогового устройства. При превышении сигналом установленного порогового уровня в устройстве 10 происходит регистрация и преобразование АЧХ с выхода следящего фильтра в цифровую форму с записью регистрограммы измерений и их визуального контроля на дисплее 16. После набора статистически устойчивого массива реализации АЧХ в каждом из измерительных каналов проводят совместную обработку сигналов по заявленным операциям способа. Определяют фрактальную размерность АЧХ и отслеживают динамику ее измерения. Вычисляют постоянную времени (Т) процесса изменения фрактальной размерности, как это иллюстрировано графиком фиг.4. Касательная к графику функции (фиг.4) отсекает от оси времени отрезок, равный постоянной времени процесса Т = 2,6 час. Из соотношения 1-е^-t/T=0,99 определяем, что t = 4,7 T = 12 час. Ожидаемая магнитуда удара: lg(t_y=0,5 сут)=0,54М-3,37; М = 5,8. По зарегистрированному массиву реализации АЧХ определяют постоянную составляющую мощности и ее дисперсию σ² в измерительных каналах.

По результатам обработки массива измерений направляющие косинусов линий визирования для пунктов размещения сейсмоприемников (Пиначево, Морозная, Камчатского Геофизического полигона, РАН) составили:

Расчетный гипотетический центр очага находится в Охотском море ≈100 км восточнее г.Оха (о.Сахалин).

Все элементы устройства представляют собой существующие технические разработки и средства аналогов. В устройстве использованы элементы виброизмерительной аппаратуры фирмы Bruel & Kjair, ENDEVCO (Дания) следующих моделей: следящий фильтр - модель 2020; усилители - модели 2626, 2628; канальный коммутатор, АЦП, спектроанализатор - многофункциональный блок модель 3560-L.

Эффективность устройства характеризуется увеличением интервала упреждающего прогноза о предстоящем землетрясении на время порядка 4 часов.

Областью использования является геофизика, создание полигонов геофизических измерений в сейсмоопасных регионах планеты. Способ краткосрочного предсказания землетрясений включает регистрацию волн сейсмического фона в двух разнесенных на базе пунктах, фиксацию времени появления регулярной составляющей инфразвукового сигнала и определение фрактальной размерности его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отслеживание динамики изменения фрактальной размерности и нахождение постоянной времени динамического процесса (Т), прогноз характеристик ожидаемого удара: времени удара ty=4,7Т, магнитуды удара lg ty[сут]=0,54М-3,37, гипоцентра очага как точки пересечения линий визирования, отсчитываемых от направления базы под углами

где B_x1(0), B_y1(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях (x, y) первого сейсмоприемника; В_х2(0), В_y2(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях (x, y) второго сейсмоприемника. Техническим результатом является расширение интервала упреждающего прогноза о землетрясении до 4 час. 6 ил.

Способ краткосрочного предсказания землетрясений, при котором регистрируют волны сейсмического фона в двух разнесенных на измерительной базе пунктах, проводят совместную обработку зарегистрированных сигналов вычислением функций их автокорреляции, отличающийся тем, что регистрацию осуществляют двухкоординатными (x, y) сейсмоприемниками в инфразвуковом диапазоне, при этом оси чувствительности сейсмоприемников по координате (x) ориентируют по направлению базы, фиксируют время появления регулярной составляющей инфразвукового сигнала и определяют фрактальную размерность его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отслеживают динамику изменения фрактальной размерности АЧХ и находят постоянную времени (Т) динамического процесса, прогнозируют параметры ожидаемого землетрясения: время удара, отсчитываемое от момента появления инфразвукового сигнала t_y=4,7 Т, магнитуду М из соотношения lg t_y[сут]=0,54 М-3,37, координаты гипоцентра очага отождествляют с точкой пересечения направляющих косинусов, отсчитываемых от направления оси базы:

где B_x1(0), B_y1(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y первого сейсмоприемника;

B_x2(0), В_y2(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y второго сейсмоприемника.